毕业设计(论文)-基于LED室内可见光通信系统设计.doc
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1、论文题目:室内可见光通信系统设计专业:学生: 签名:_指导老师: 签名:_ 摘要 可见光通信技术是一种在白光LED发明和应用后发展起来的新兴的无线光通信技术,LED不但能进行室内照明,并且能应用于无线光通信系统从而满足了室内网络需要。这篇文章在对白光LED用于通信光源的光谱特性以及调制特性等其它物理特性进行深入分析基础之上,重点研究白光LED光源通信系统构成结构以及系统设计,并给出一种LED照明灯室内布局方法。由于可见光通信使用开关键控调制方式限制了数据传输速度,因此,本文引入了一种基于正交频分复用(OFDM)调制与解调的方案,用于减弱高速通信时由多径效应带来的码间串扰。【关键词】室内可见光通
2、信;白光LED;正交频分复用mm【论文类型】应用设计型 Title: System Design of Indoor Visible Light Communication Major: Name: Signature:_Supervisor: Signature:_ABSTRACT Visible light communication is a novel wireless optical communication technology and rose with development of white LED fabrication techniquesWhite LED devic
3、es are used not only for illuminating rooms but also for an optical wireless communication system which is suitable for indoor private networksIn the thesis,based studies have been done on radiation spectrum and modulation property of white LED when they are used as optical transmitters,Then the con
4、figuration and systematic design techniques are concentrated concerning white LED lighting source communication as well as high speed modulation techniquesAn optimal design of lightings layout on the visible light communication system is discussedBecause of primarily OOK has been used for digital da
5、ta modulation of such devicesOOK imposes limitations on the achievable data ratesSo the inherent robustness of OFDM against multipath effects,OFDM is considered in combination with higher order modulation schcmes in the thesis【Key Words】Indoor visible light communication;white-LED;OFDM【Type of Thesi
6、s】 Type of application and design 43 前言21世纪高速数据通信在人们生活中将会十分重要,即人们会需要在任何地点以及任何时间,快速得到大量多媒体信息。同时由于工作中的团队合作至关重要,对办公室通信系统的要求以及多媒体信息共享的需求将会迅猛增长。伴随着电器设备的无线化以及家庭无线连接的应用,人们可以在家中任何一处登录全球信息网。面对宽带资源有限,在改良设计通信系统时应该考虑其它方式。因此可以将光通信技术以一种以白光LED为光源的新兴的无线电通信技术发展起来。 可见光通信(Visible Light Communication,简称VLC)是利用半导体LED响应速
7、度快的发光响应特性,将信号调制到LED可见光上进行传输,使可见光通信与LED照明相结合,构建出LED照明通信两用基站灯,也为光通信提供了一种全新的的宽带接入方式。VLC可分作室内可见光通信以及室外可见光通信两种类型。白光LED具有低功耗、长寿命、小尺寸、绿色且环保等优势,被认为最终将会代替荧光灯和白炽灯这些传统的照明光源,将会成为下一代照明光源。和传统的照明光源进行比较,白光LED因为响应时间所以具有高速调制特性。基于白光LED室内VLC系统,可以实现照明通信两重作用。当今VLC大多还处在实验阶段,虽然整体系统已实现,但是和可见光通信的实际应用还有相当大距离,系统各项性能还需要进一步的优化。本
8、文正是基于这样一个新的光通信技术而成,全文共分6章。第1章主要介绍了基于LED的室内可见光无线光通信研究的意义,国内外研究现状,以及可见光与自由空间光通信及红外通信的比较。第2章 室内LED光源布局设计,主要介绍了LED光源相关理论,LED的发光原理和相关特性,以及白光LED发光原理,最后讲述了光源的布局方法。 第3章可见光通信基本理论,主要介绍了室内可见光通信基本原理和可见光通信链路以及可见光通信系统中存在的多经效应,最后分析信道模型。第4章主要介绍了OFDM的一些基本概念以及理论;相关关键技术和优缺点。第5章 LED光源室内可见光通信系统设计,主要讲述了可见光发射端,接收端系统设计,和基于
9、OFDM的室内VLC系统整体结构的设计分析。第6章是本篇论文的总结。本篇论文在写作过程中参阅了许多国内外研究资料,也借鉴了很多前辈大量的研究成果。由基于作者水平所限,本书本篇论文难免有错误或不当之处,敬请各位老师批评指正。 目 录1 绪论11.1选题背景和意义11.2 可见光通信历史及现状21.3 常用无线光通信的比较41.3.1 可见光与自由空间光通信相比较41.3.2 可见光与红外通信相比较51.4 论文研究的主要内容62 室内LED光源72.1 LED的发光原理72.2 LED光源的相关特性82.3 白光LED92.3 灯光布局112.4 本章小结133 可见光通信基本理论143.1 室
10、内可见光通信基本理论143.1.1 VLC概述143.1.2 室内VLC基本理论143.2室内VLC基本链路153.3 室内VLC信道模型183.4 多经干扰193.5 本章小结214 OFDM技术简介224.1 OFDM概述224.2 OFDM的基本原理234.3 OFDM系统关键技术254.4 OFDM优缺点264.5本章小结275 基于OFDM室内可见光通信系统设计285.1 可见光发射端285.1.1 LED电路驱动方式285.1.2 LED高速调制驱动电路295.2 VLC接收端305.2.1 VLC接收端器件的选择305.2.2 前置放大电路325.3 基于OFDM的室内VLC系统
11、335.3.1OFDM的调制模块345.3.2 OFDM解调365.3.3 OFDM系统整体结构375.4本章小结386总结39参考文献401 绪论1.1选题背景和意义 20世纪末期,伴随着全光接入技术发展以及人们对无线宽带通信的要求,一种信息容量大、部署灵活、维护便利、安全保密的无线光通信技术得到了人们广泛的关注。其应用范围从军用和航天已步入民用领域。无线光通信是一种无线宽带接入技术,是光通信和无线通信技术相结合的产物。它以光信号为载体,大气作为传输媒质,来进行光信号传送。目前无线光通信技术有下列几种:自由空间无线光通信(FSO)、室内红外线通信和可见光通信(VLC)。FSO通常是利用波长为
12、850nm或者1550nm的红外光;室内红外通信通常是利用LED红外光;而VLC则是利用LED可见光。无线光通信主要分为:室外的无线光通信和室内的无线光通信技术。其中,室内的无线光通信是把无线光通信用于室内的计算机网络和办公设备的通信,而室内的无线光通信和室外的无线光通信间的主要区别是信道不同。地面的无线光通信的信道主要受太阳自然背景光和大气影响,其中大气对光通信影响主要是大气湍流引起闪烁和天气现象引起衰减。然而室内的无线光通信的信道主要受人造光源影响,例如荧光灯和日光灯,还有个对室内的高速通信较为严重的影响是:由室内的墙壁对光源的反射引起对接收到的信号造成多径。即对高码率通信会出现码间串扰(
13、ISI)。近年来,被誉为“绿色照明”的半导体照明技术发展迅猛,尤其是白光LED吸引更多人的注意,他们被认为是下一代的照明光源。通过三基色(红,绿,蓝)构造出的白光LED具有光照强,效率高,寿命长等特点。其终将会取代目前应用于办公室以及家庭中的白炽灯或者萤光灯。基于半导体器件具有高速点灭发光响应特性,把信号调制在LED可见光上来传输,使得可VLC和LED照明相结合,最终构建出一种LED照明通信两用的基站灯,将为光通信引入一种全新的宽带接入方案。该选题是基于可见光通信(VLC)的理论为基础,并结合LED可见光相关特性,最终建立切合实际的室内LED可见光通信系统。由于LED光源具有特殊性能特点,使得
14、LED可见光通信大势所趋。该选题通过对LED特性以及室内可见光通信中的某些关键技术的探讨和研究,从而为进一步改善LED可见光通信系统性能做努力。1.2 可见光通信历史及现状 最早提出可见光通信的是香港大学的Grantham Pang,他于1999年提出了可见光通信的雏形,即用100kHz的载波频率将CD音乐以及电话等信号发送到个人耳机。此方法中无透镜的接收传输距离为40cm,而有透镜接收的距离为200cm。他将上述这种系统用于交通系统中,采用电压控制振荡器调制驱动了441个超亮度的红光LED阵列,它的载频为100kHz,通过发送滤波来驱动LED交通灯。他也提出了用LED进行语音广播和数据传输以
15、及交通灯控制,它的室外传输距离可以达20m。在2003年ShogoKitano,ShiniehiroHaruyama,MasaoNa-kagawa为了减少交通拥塞的现象,而采用了模拟调制的方法,提出了将LED应用在交通智能系统中,他们认为此种通信具有可行性,而且优于红外光通信方式。同时提出了LED道路照明通信系统的设想,这个系统不但可进行道路照明,同时又能进行高质量的数据传输。波士顿大学Thomas Little又提出可以用LED来替代自炽灯,并且预测到未来15年内LED广泛应用必将势不可挡。并指出它将主要应用在高清媒体以及高速率数据传输;汽车间的通信、无线医疗监测系统、室外的数据传输的试验等
16、。在可行性方面研究特别多的当数韩国人Jung-Hun Kim和Chung Ghiu Lee。2006年他们曾用实验的方法已经证明了高亮度照明LED光的无线信道通信的可行性。其中用7个LED来发射信号和一个光电接收器,发送接收装置间的距离为12cm,同时分别测量了红绿蓝LED的3dB带宽。最后获得了传输速率依次分别为1 Mb/S,5 Mb/s,10 Mb/s的眼图,其中在lOMb/s的情况下,误码的比特率小于810-6,以此来证明高亮度LED通信的可行性。他们的实验系统中采用了PIN探测器,它的有效接收面积是0.8 mm2,峰值响应是750 nm,光电转换效率是0.45 A/W,小信号通带带宽是
17、50 MHz。在没有改进电路以前,Chung Ghiu Lee用7个LED单行阵列构成调制系统,调制带宽是18 MHz,通信距离是30cm,传输速率是10Mb/S。而改进电路以后,即将LED安装成52矩阵,光通信链路距离可达90cm,传输速率是20 Mb/s。他的研究结果表明采用大功率的LED作为室内可见光通信光源是可行的,但是同时大功率LED限制了通信的调制速率。日本的研究者是此项技术的首创人之一,他们在这个技术的贡献率最大。他们研究最多的是室内LED可见光通信系统存在的相关问题,这些问题包括传输中的多径效应和阴影效应以及码间干扰。其中Toshihiko Komine做的研究最为突出。他用数
18、个LED灯在实验室中既用来照明,又用作光无线通信。他认为反射以及码间干扰是影响通信系统性能的主要因素,同时系统的码间干扰是依赖于接收机的半视场角(FOV)以及通信传输速率,并预计它的高速数据传输可以达到1 Gb/s。他从通信信道出发,用仿真的方法研究了信道信噪比的分布情况,实验表明当电功率为8.64 W,且光强度为1.56cd时,它的传输速率可以达到100kb/s。他还研究多个LED发光的系统阴影效应,下行链路用TDMA,当传输速率在800 Mb/s时,通话会被人行阴影中断,而采用3个LED照明会提高系统通信质量。当数据传输速率是400 Mb/s,用反馈判决均衡与有限脉冲滤波器较为有效,而当传
19、输速率是500Mb/s时,用反馈判决均衡法来抗码间干扰更为有效。Toshihiko Komine还研究了LED照明通信的多径效应,分析了室内通信系统中的反射效应,发现当通信系统靠近墙壁位置时,由于它的反射信号增强,因此串扰信号也增强,该系统采用了8-PPM,FOV是500,其中靠墙位置的传输速率是60 Mb/s,而不靠墙位置传输速率是90Mb/s。 牛津大学的Dominic OBrien对这项技术的研究相对较晚,主要集中于发送以及接收均衡,还有多输入多输出系统,并且肯定了大功率LED调制速率仅为数兆的观点。Brien在2008年提出可以用LED既来替代白炽灯以及荧光灯进行照明,又可以用它来传输
20、信息的想法。并且对光源和接收装置以及可见光的信道进行研究,通过采用发送与接收的均衡技术、光学滤波、光学多输入与输出等技术来提高数据传输速率,从而使通信的传输速率有希望达到数Mb/s。并预测速率的能超过100Mb/s。他提出的多输入多输出通信以及发射和接收的均衡技术都将有较大的实际应用价值。德国的海因里-希赫兹和弗朗禾费通信研究所提出了用白光LED来进行信息传输,他首先提出大功率的白光LED由于调制带宽的有限因此限制其传输速率,从而他的研究重点在于怎样使调制带宽能够提高。基于此提出多电平调制的方法,此观点较符合实际。Hany Elgala主张采用强度调制的方式来对LED光源进行调制,同时提出把正
21、交频分复用应用在可见光通信中。 南洋理工大学从光源的模型方面出发提出了白光LED有最佳布局的观点,而且设计了实验系统,既可照明又发射1kHz的正弦信号,此项实验得到接收信号的信噪比为11.8dB。在国内基于白光LED可见光通信系统起步较晚。当前对VLC研究的单位有西安理工大学(承担陕西省“火炬计划项目。),桂林电子大学,杭州电子大学,暨南大学。其中暨南大学的陈长缨,胡国永设计并实现了点对点的通信系统。这个通信系统通信距离是20cm,传输速率为10MHZ,并保证了频率信号的正确传输。2008年这个研究组在前期研究工作基础之上,利用白光LED矩阵光源解决了通信距离短,无法达到照明等要求的问题。最终
22、实现了实用照明的室内VLC系统的4Mb/s带宽的数字视频信号的传输,信号的传输距离超过2.5m。1.3 常用无线光通信的比较 1.3.1 可见光与自由空间光通信相比较 自由空间光通信在点对点的传输情况下,每一端都包括光发射机以及光接收机,从而可实现全双工通信。在光发射机中把电信号调制到光源上,并且通过用光学望远镜作成的天线,可以将光信号经由大气信道做媒介传至接收端光学望远镜。其中高灵敏度光接收机,会把望远镜接的光信号转成电信号。因为大气空间对不同光波长的信号透过率有比较大的差别,因此可以选则透过率比较好的波段窗口。光的无线系统一般用850nm或者1550nm的工作波长。考虑到1550nm的光波
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